陳榮清 楊晨琳

（1.福清高山育才中學(xué)，福建 福清 350319；2.福清北亭初級(jí)中學(xué)，福建 福清 350323）

在習(xí)題教學(xué)中，虛擬實(shí)驗(yàn)作為一種新的科學(xué)研究方法，可以與傳統(tǒng)教學(xué)方法有效結(jié)合.通過具體的習(xí)題解答，學(xué)生能從各種角度完善對(duì)物理概念和物理規(guī)律的理解，并進(jìn)行深化與鞏固，進(jìn)而提高自身的科學(xué)素養(yǎng).NOBOOK實(shí)驗(yàn)室可以作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高效補(bǔ)充工具，使得抽象的物理規(guī)律直觀化、可視化，創(chuàng)設(shè)平臺(tái)，讓學(xué)生展示交流，互動(dòng)完善，實(shí)現(xiàn)知識(shí)和方法的溫故知新，培養(yǎng)學(xué)生的開放性思維，促進(jìn)學(xué)生自主進(jìn)行創(chuàng)造性決策.

1 NOBOOK輔助真實(shí)實(shí)驗(yàn)

學(xué)生在解題過程中經(jīng)常對(duì)問題的分析和已有的知識(shí)基礎(chǔ)或知識(shí)經(jīng)驗(yàn)相沖突產(chǎn)生錯(cuò)誤的認(rèn)知.例如，對(duì)物體浸入液體的過程中，液面也隨之上升的現(xiàn)象沒有清晰認(rèn)識(shí)，更不易理解液面上升的體積等于物體的體積.通過NOBOOK平臺(tái)，調(diào)節(jié)參數(shù)，模擬出物體的運(yùn)動(dòng)，精確地完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)變化，為學(xué)生呈現(xiàn)一種動(dòng)態(tài)的視覺效果，讓學(xué)生們反省、評(píng)價(jià)，來達(dá)成思維的轉(zhuǎn)化，從而迅速、簡捷地解決問題.

例1.如圖1所示，圓柱形薄壁容器底面積為60 cm2，彈簧測力計(jì)下掛一底面積為20 cm2的柱形金屬塊，金屬塊下表面與水面相平時(shí)，彈簧測力計(jì)示數(shù)為4.5 N，若將金屬塊緩慢下降6 cm，金屬塊的上表面與水面相平（水未溢出）.則金屬塊下降前后容器底受到的液體壓強(qiáng)變化量是_______Pa，金屬塊的密度_______g／cm3.

圖1

初中學(xué)生邏輯思維能力尚待發(fā)展，在設(shè)計(jì)習(xí)題當(dāng)中的實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，思維容易受限制，一開始直接根據(jù)題目中的實(shí)驗(yàn)器材，一個(gè)裝有水的燒杯、一個(gè)彈簧測力計(jì)和金屬塊就開始實(shí)驗(yàn)操作.在學(xué)生交流后，教師適時(shí)地介紹能通過對(duì)比水位上升的高度和金屬塊在水中下降深度的創(chuàng)新技法，提供再次設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì).學(xué)生通過NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)室不斷完善自己的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出多種實(shí)驗(yàn)方案，發(fā)展創(chuàng)造思維，展示最終的實(shí)驗(yàn)方案.如圖2所示，模擬在空燒杯中金屬塊上表面與水位線相平時(shí)，下表面應(yīng)到達(dá)燒杯“40”刻度線的位置.而實(shí)際情況下，金屬塊在水中下降的過程中，水面會(huì)隨之上升.教師再通過希沃白板編輯（如圖3），學(xué)生清晰地看到當(dāng)金屬塊上表面與水面相平時(shí)，金屬塊的下表面在水中下降的距離比在之前在空燒杯中下降的距離小.在活動(dòng)過程中，可以利用評(píng)價(jià)單要求學(xué)生從創(chuàng)造思維、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、行為規(guī)范3個(gè)維度進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，激勵(lì)學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中不斷改進(jìn)，發(fā)展創(chuàng)造思維.同時(shí)，學(xué)生查看評(píng)價(jià)單后，能根據(jù)自己的表現(xiàn)，總結(jié)和反思自己哪方面表現(xiàn)得好，哪方面還有欠缺，需要改進(jìn).

圖2 金屬塊下降過程

圖3 水位變化情況

伴隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，利用仿真實(shí)驗(yàn)軟件在虛擬情況下開展實(shí)驗(yàn)，探究物理規(guī)律，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)形成有效互補(bǔ)，教師講解方便、直觀，打破了學(xué)生長期形成的固有思維模式，提高認(rèn)知水平.

2 NOBOOK實(shí)現(xiàn)可視化實(shí)驗(yàn)

物理習(xí)題課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，重在讓學(xué)生在有限的課堂學(xué)習(xí)時(shí)間里盡可能多地掌握實(shí)驗(yàn)操作技能、物理知識(shí)以及提高科學(xué)素養(yǎng).傳統(tǒng)的電學(xué)實(shí)驗(yàn)器材容易老化造成實(shí)驗(yàn)誤差大，不利于習(xí)題的講解.在分析復(fù)雜電路時(shí)，使用傳統(tǒng)的多媒體手段無法實(shí)時(shí)呈現(xiàn)電路在不同情況下的工作狀態(tài)，并且連接好的電路由于距離和視角的關(guān)系，學(xué)生無法看清，教學(xué)難點(diǎn)不易突破.此時(shí)借助NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)室，有效地縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間.

例2.小靈小組利用如圖4所示電路進(jìn)行電學(xué)實(shí)驗(yàn)，選用的電源電壓為4.5 V，滑動(dòng)變阻器規(guī)格為“20Ω 1 A”.

圖4 電學(xué)實(shí)驗(yàn)圖

（2）在探究“電流與導(dǎo)體兩端電壓的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，選用5Ω的定值電阻，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的滑片無法使電壓表示數(shù)為0.5 V，你認(rèn)為原因可能是__________.

傳統(tǒng)習(xí)題教學(xué)中，當(dāng)計(jì)算出滑動(dòng)變阻器的最大阻值至少為40Ω，電壓表示數(shù)才能減小到0.5 V時(shí)，學(xué)生仍無法理解是因?yàn)榛瑒?dòng)變阻器的最大阻值太小導(dǎo)致電壓表無法達(dá)到0.5 V.在解決這類物理臨界狀態(tài)問題，可運(yùn)用NOBOOK平臺(tái)，按照題目要求設(shè)置電源電壓、定值電阻、滑動(dòng)變阻器的最大值等數(shù)值，完成電路的連接后，閉合開關(guān)，就能看到電流流動(dòng)的動(dòng)態(tài)畫面（如圖5所示）.學(xué)生觀察物理量的變化，由一般推向極端，做出在極端條件下的判斷，通過理論分析臨界狀態(tài)和極值解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的推理能力.［2］在NOBOOK實(shí)驗(yàn)室中同時(shí)還能直觀看到，滑動(dòng)變阻器阻值在變大的過程中，電壓表示數(shù)在變小，當(dāng)滑動(dòng)變阻器的阻值達(dá)到最大值20Ω時(shí)，電壓表只能減小至0.9 V，未能減小至題中要求的0.5 V.單擊電壓表后，轉(zhuǎn)動(dòng)鼠標(biāo)滾輪還能縮放實(shí)驗(yàn)畫面（如圖6所示），方便學(xué)生讀數(shù).同時(shí)，NOBOOK打破時(shí)間限制，跨越空間障礙，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的資源共享，提高實(shí)驗(yàn)資源的利用率，便于學(xué)生利用課余時(shí)間鞏固物理知識(shí).可以微信掃描如圖7的二維碼.）

圖5 電流流動(dòng)畫面

圖6 電壓表放大圖

圖7 二維碼

3 運(yùn)用NOBOOK提升思維躍遷

在使用NOBOOK時(shí)，教師的教學(xué)不再局限于講臺(tái)附近，學(xué)生可利用手機(jī)中的學(xué)生端并通過希沃授課助手，遠(yuǎn)距離控制希沃，開展合作互動(dòng)式學(xué)習(xí)，獲得良好的體驗(yàn).

例如在解決單個(gè)物體在豎直方向上運(yùn)動(dòng)受到3個(gè)力的物理問題，可以提出一個(gè)原始的問題：在彈簧測力計(jì)下掛著一個(gè)重物，將其緩慢勻速地浸入裝有水的燒杯中，彈簧測力計(jì)示數(shù)將如何變化？學(xué)生在聽完問題后，對(duì)手機(jī)中的NOBOOK物理實(shí)驗(yàn)學(xué)生端進(jìn)行一系列設(shè)置（如圖8），觀察示數(shù)變化.接著，教師給出一個(gè)臺(tái)秤，提問：在重物勻速地浸入過程中彈簧測力計(jì)的示數(shù)和燒杯對(duì)桌面的壓力將如何變化？這時(shí)，學(xué)生馬上就想到可以使用臺(tái)秤來測量壓力，并觀察到浸入過程中彈簧測力計(jì)示數(shù)先變小的同時(shí)臺(tái)秤的示數(shù)在變大（如圖9）.當(dāng)學(xué)生看到希沃白板上展示的練習(xí)題：若將彈簧測力計(jì)下掛的重物勻速地浸入裝滿水的溢水杯中，彈簧測力計(jì)的示數(shù)和桌面受到溢水杯的壓力將如何改變？學(xué)生通過NOBOOK把上一個(gè)實(shí)驗(yàn)中的燒杯替換成溢水杯，如圖10所示，得到答案.最后，教師可讓學(xué)生利用NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)室學(xué)生端解決：若將彈簧測力計(jì)下掛的重物勻速地浸入沒有裝滿水的溢水杯中，彈簧測力計(jì)的示數(shù)和桌面受到溢水杯的壓力將如何改變？（圖11），進(jìn)而提升學(xué)生的高階思維能力.［3］

圖8 NOBOOK實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

圖9 使用臺(tái)秤測量壓力

圖10 用裝滿水的溢水杯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

圖11 用未裝滿水的溢水杯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

教師在教學(xué)中利用相近的題目，關(guān)注學(xué)生的討論和虛擬實(shí)驗(yàn)儀器的選擇，讓學(xué)生通過變式題目的分析、評(píng)價(jià)從而加強(qiáng)師生互動(dòng)和學(xué)生間的交流和實(shí)踐，提高思維能力，解題過程中感悟分析問題的思路和方法.活動(dòng)的4個(gè)階段中，學(xué)生經(jīng)歷了多次方案設(shè)計(jì)，從一開始金屬塊在水中拉力的變化到最后金屬塊在浸入未裝滿水的溢水杯過程中拉力和桌面受溢水杯壓力的示數(shù)變化，創(chuàng)造思維得到鍛煉與提升.教師通過步步設(shè)問，既能讓學(xué)生及時(shí)明了自己的不足之處，又能便于教師縱向觀察學(xué)生設(shè)計(jì)能力的發(fā)展情況，檢驗(yàn)自己設(shè)計(jì)的教學(xué)活動(dòng)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力的有效性，有助于對(duì)學(xué)生出現(xiàn)的問題對(duì)癥下藥，進(jìn)行有針對(duì)性和持久地訓(xùn)練.

4 總結(jié)與展望

NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)室融入傳統(tǒng)的物理習(xí)題教學(xué)中，使學(xué)生在理解知識(shí)點(diǎn)時(shí)能看到直觀現(xiàn)象的畫面，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力和可持續(xù)發(fā)展的潛能.但在習(xí)題教學(xué)中僅有NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)室是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，如何與傳統(tǒng)教具、傳感器相結(jié)合，提高習(xí)題教學(xué)的有效性，需要進(jìn)一步研究.